分體式空氣源熱泵在北方某鑄造車間中的應(yīng)用

趙曉雷 田思瑤 單永明

摘? 要：為解決原北方供暖方式耗能大、二氧化碳排放量大的問題，以大連市某供暖面積為13000m2的鑄造車間為例，介紹了一套可應(yīng)用于北方寒冷地區(qū)的綠色分體式螺桿空氣源熱泵機組，著重闡明了該空氣源熱泵在低環(huán)境溫度下仍具有水系統(tǒng)防凍、減少熱能損失、噪音低、組裝安裝靈活的特點，將機組與北方常用的四種供暖方式進行經(jīng)濟性對比分析，結(jié)果表明：其具有節(jié)能、運行費用較少的優(yōu)勢。該機組設(shè)計為設(shè)計人員提供參考，有利于清潔的空氣源熱泵在北方深入推廣。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵;分體式;鑄造車間;供暖空調(diào);北方地區(qū)

引言

近年來，伴隨國家十三五實施“煤改電”政策、提出碳達峰碳中和“雙碳”目標等措施積極推進國家節(jié)能減排工作，我國居民對環(huán)境要求的逐漸提高和環(huán)保意識的不斷增強。北方在冬季時具有集中供暖的優(yōu)勢，但是這種供暖方式常采用燃燒化石能源產(chǎn)熱，存在污染嚴重、碳排放量極高和產(chǎn)熱效率低等問題[1]，因此急需被取代[2]。

空氣源熱泵就是十分具有可行性的替代方法之一。空氣源熱泵利用少量電能，將空氣中的熱能通過壓縮后轉(zhuǎn)化為高溫熱能[3]。空氣作為熱源，具有無用量限制，且熱量補充迅速的優(yōu)點[4]。與燃燒煤炭相比，空氣源熱泵的碳排放量低，具有高效節(jié)能、應(yīng)用靈活等顯著優(yōu)勢[5-6]，但是空氣源熱泵的制熱量受環(huán)境影響較大[7]。北方冬季環(huán)境溫度較低時，機組存在制熱量減小、壓縮機排氣溫度較高、潤滑油粘度增大以及電機過熱等問題[8-9]。本文結(jié)合本公司鑄造車間新增熱泵供暖系統(tǒng)的運行情況，介紹了一套可用于北方寒冷地區(qū)的空氣源熱泵機組，為暖通工程師研究和應(yīng)用空氣源熱泵提供參考。

1 項目概況

公司鑄造車間位于遼寧省大連市，根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》GB50176-2016表4.1.2及附錄A.0.1[10]，大連市屬寒冷A區(qū)，供暖室外計算溫度-9.0℃，空調(diào)室外計算溫度-16.3℃。

查詢歷史天氣，可得出近五年來大連市的冬季最低氣溫及天數(shù)如圖1所示，其中2016年冬季氣溫最低，為-17℃。

2 系統(tǒng)介紹

針對大連地區(qū)該鑄造車間，對分體式空氣源熱泵系統(tǒng)進行選型計算分析。供熱面積共計13000m2，單臺室內(nèi)機制熱輸入功率190kW，COP2.92，名義制熱量570kW，單臺室外機冷凝器的風量為26000m3/h。經(jīng)過熱負荷計算后，得出選用兩臺室內(nèi)機和四臺室外機組合的設(shè)計方案。機組的制熱量共計1140kW，風量104000m3/h。室內(nèi)機主要由壓縮機、蒸發(fā)器、四通閥等部件組成，室外機主要由冷凝器和膨脹閥組成。機組的系統(tǒng)原理圖如圖2所示。制熱運行時，經(jīng)過壓縮機產(chǎn)生的高溫高壓制冷劑氣體，經(jīng)四通閥排放至水側(cè)換熱器，與循環(huán)水進行熱交換，將熱量排放到水中，循環(huán)水達到需求溫度與室內(nèi)空氣進行交換，實現(xiàn)制熱目的。而高溫高壓的液態(tài)冷媒，在通關(guān)過電子膨脹閥節(jié)流形成低溫低壓的氣液混合物，與空氣進行熱交換，吸收空氣中的熱量，回到壓縮機，完成一個循環(huán)。

3 分體式熱泵的應(yīng)用特點

由于普通熱泵在環(huán)境溫度為-10℃及以下的工況下，存在制熱量下降、冷凝器易結(jié)霜的問題[11]。本機組制熱運行環(huán)境溫度最低可達到-35℃，可在嚴寒地區(qū)使用，有利于空氣源熱泵的應(yīng)用與推廣。

3.1水系統(tǒng)防凍

冬季若將與蒸發(fā)器換熱的水箱放置于室外，若機組發(fā)生意外斷電，水循環(huán)水管內(nèi)的水將迅速凝結(jié)成冰，堵塞管路。該項目將水箱放置于室內(nèi)，熱泵機組和水箱之間的連接管路均處于室內(nèi)，大連冬季平均室外氣溫約為-10～-5℃，將水路布置與室內(nèi)，對預(yù)防水系統(tǒng)防凍事故具有顯著效果。

3.2 散熱少

大連冬季室外平均溫度較低，機組運行時壓縮機和油分處溫度約為70～80℃。將機組中壓縮機、油分及其他高溫部件放在室內(nèi)，可顯著減小容器內(nèi)與環(huán)境的溫差，減小零部件消耗和浪費大量熱能，提高換熱效率。

3.3 噪音低

空氣源熱泵的噪音主要來自于壓縮機產(chǎn)生的機械噪音和由壓縮機運轉(zhuǎn)時引起的鋼結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的噪音，以及冷凝器的風機產(chǎn)生的風動力噪音采用分體式設(shè)計，壓縮機放在室內(nèi)機房，相當于在噪音源的四周加建一個隔音間，可有效降低噪音值。

3.4 安裝組裝靈活

該系統(tǒng)將室外機放置于廠房外空曠處。若機房外空間比較緊湊或無空曠平地，也可將室外機組放在房頂或其他任意就近空曠處，與體積較大的一體機相比，分體式機組具有體積較小、安裝靈活的特點。本系統(tǒng)采用 2個室內(nèi)機和4個室外機的組合方案，而本室內(nèi)機最多可實現(xiàn)16個機組組合的方案。可根據(jù)供暖需求自由組合室外室內(nèi)機組，機組應(yīng)用范圍廣，組裝方便。

3.5 經(jīng)濟性

空氣源熱泵利用少量的電能，從空氣中獲得熱能實現(xiàn)供熱目的，是目前較為高效、環(huán)保、節(jié)能的優(yōu)選供暖方式。按照大連市供暖期125天，每日供暖12小時，電價按照2022年峰谷平電價計算，常用的四種供暖方式與空氣源熱泵運行費用和環(huán)保性能的對比分析結(jié)果如表1所示。從表1中可以得出：以該鑄造廠為供熱對象，空氣源熱泵每年比電加熱供暖方式節(jié)約78.8%，比燃油鍋爐節(jié)約74.2%，比燃氣鍋爐節(jié)約61.6%，比燃煤鍋爐節(jié)約39.5%。采用空氣源熱泵供暖年能源費用明顯遠低于電加熱、燃油鍋爐、燃氣鍋爐。雖然與燃煤鍋爐的費用相差較小，但是燃煤鍋爐供暖方式污染嚴重、早已被列為淘汰之列。因此空氣源熱泵也具有優(yōu)異的經(jīng)濟性，是清潔環(huán)保供暖方式的首選方案之一。

4 結(jié)語

本文以大連市某鑄造車間供暖項目為例，介紹了一種分體式螺桿空氣源熱泵機組，分析了將水箱及高溫部件放置于室內(nèi)后，可有效避免安全隱患，顯著減小由于北方冬季室外低環(huán)境溫度對機組換熱的影響，擴大機組的應(yīng)用范圍，為設(shè)計人員提供參考意義。通過對比五種供暖方式的運行費用，得出結(jié)論：空氣源熱泵具有較好的經(jīng)濟性和環(huán)保節(jié)能性。為其在北方的進一步應(yīng)用提供有利的理論支持。

參考文獻

[1]王文斌. 北方某空氣源熱泵項目設(shè)計分析及思考[J]. 江西建材，2021，（11） ： 305-306.

[2]艾默生環(huán)境優(yōu)化技術(shù). 北京密云司馬臺新村空氣源熱泵應(yīng)用實例[J]. 建設(shè)科技，2014，（18） ： 46.

[3]范旭紅. 空氣源熱泵采暖在建筑節(jié)能中的應(yīng)用與前景分析[J]. 山西建筑，2017，43（14） ： 198-199.

[4]楊少宇，陸凱君，杜娟，等. 空氣源熱泵特點及其在北方地區(qū)的應(yīng)用[J]. 山東工業(yè)技術(shù)，2018，（11） ： 76.

[5]王宇航，王巍，張?zhí)伲? 空氣源熱泵供暖在寒冷地區(qū)臨建中的應(yīng)用[J]. 中國設(shè)備工程，2022，（01） ： 19-21.

[6]吳衛(wèi)平，吳琛，竇秀華，等. 空氣源熱泵在建筑節(jié)能中的應(yīng)用[J]. 山東工業(yè)技術(shù)，2017，（17） ： 124.

[7]黎志瑜. 空氣源熱泵冷熱水機組在寒冷地區(qū)的應(yīng)用研究[J]. 科技技術(shù)創(chuàng)新，2021，（36） ： 28-30.

[8]楊景洋，梁思源，彭澤焓，等. 嚴寒地區(qū)空氣源熱泵供暖運行性能研究[J]. 制冷與空調(diào)，2020，（10） ： 73-77.

[9]熊彧可，李程明，紀忠君，等. 空氣源熱泵綜述[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2021，（12） ： 172-174.

[10]GB/T50176-2016， 民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[11]李遠付，魏曉鈺，薛冬華. 超低溫空氣源熱泵在甘肅某職工宿舍樓中的應(yīng)用[J]. 制冷與空調(diào)，2020，（5） ： 45-48.

作者簡介：

趙曉雷（1984.4--），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，本科，中級工程師，主要從事冷熱系統(tǒng)技術(shù)研究與應(yīng)用方面工作。